四川大学
电子信息专业实验报告
课程 通信原理实验 学生姓名 王仲 评分 学 号 0942052033 班级 09205032 同实验者 陈云 黄学谦 实验时间 周六9：00到11：00 地点 基B518
电子信息学院专业实验中心
一、 实验目的
1通过观察噪声对信道的影响，比较理想信道与随机信道的区别，加深对随机信道的理
解。
2通过比较编码信号与未编码信号在随机信道中的传输，加深对纠错编码原理的理解。
3掌握眼图波形与信号传输畸变的关系。
二、 实验内容（含技术指标）
1将信号源输出的NRZ码（未编码）输入信道，调节噪声功率大小，观察信道输出信
号及其误码率。
2将输出的NRZ码（未编码）输入信道模拟模块，编码后再输入信道，并经过编码，观察通过编解码后信道的误码率，并与同等噪声功率时未编码信号的误码率进行比较。
3观察眼图并做分析、记录。
三、 实验仪器（仪器名称、型号，元器件名称、清单，软件名称、版本等） 1信号源模块。
2信道模拟模块。 3终端模块。 4数字示波器一台。 5连接线若干
四、 实验原理（基本原理，主要公式，参数计算，实现方法及框图，相关电路等）
（一） 信道
广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道和编码信道。所谓调制信道，是指调制输出端到解调器输入端的部分。从调制解调的的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种运算，我们只需关心运算的结果。而无需关心其详细物理过程。因此，研究调制与解调时，采用这种定义是方便的 。
同理，在数字通信系统中，如果我们仅着眼与讨论编码与译码，采用编码信道的概念是十分有益的，所谓编码信道，是指编码器输出端到译码器输入端的部分，这样定义是因为从编码译码的角度来看，编码器的输出时某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，他们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变换的方框来加以概括。
我们这里主要用的是编码信道，接下来介绍一下编码信道模型。编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。因此，有时把编码信道看成是一种数字信道。编码信道模型可以用数字的转移概率来描述。例如，最常见的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图5-1所示。这个模型之所以是“简单的”，因为这里假设解调器每个输出码元的差错发生是相互的。或者说，这种信道是无记忆的，即一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关。在这个模型里，P（0/0）、P（1/0）、P（0/1）及P（1/1）称为信道转移概率，其中，P（0/0）与P（1/1）是正确转移的概率，而P（1/0）与P（0/1）是错误转移的概率。
P（0/0） P(1/0) P(0/1) P（1/1） 图5-1 二进制编码信道模型
根据概率的性质可知
P（0/0）=1-P（1/0） P（1/1）=1-P（0/1）
转移概率完全由编码信道的特性所决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率，但
应该指出，转移概率一般需要对实际编码信道做大量的统计分析才能得到。 如果我们对一正态分布白噪声取样，若取样值为正，记为“+”；若取样值为负，记为“-”，则将每次取样所得极性排成序列，可以写成
„ + - + + - - - + - + + - - „
这是一个随机序列，它具有如下基本性质：
1．列中“+”和“-”的出现概率相等。
2．序列中长度为1的游程约占1/2；长度为2的游程约占1/4；长度为3的游程约占1/8；„。
一般说来，长度为k的游程约占1/2k。而且在长度为k的游程中，“+”游程和“-”游程约各占一半。
3．由于白噪声的功率谱为常数，功率谱的逆傅里叶变换，即自相关函数为一冲激函数
()。当0时，()0；仅当0时，()是个面积为1的脉冲。
（二）信道噪声
非理想信道中必然存在噪声，而其中又以高斯白噪声最为普遍。在本实验中我们用伪随机序列模拟高斯白噪声。
伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的实际应用。目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列（经滤波等处理后）得到的。我们把这种周期
序列称为伪随机序列。通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器，它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。 由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。由于m序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱与上述随机序列的基本性质很相似，所以通常认为m序列属于伪噪声序列或伪随机序列。m序列的功率谱密度的包络是（sinx/x） 形的。设m序列的码元宽度为T1 秒，则大约在零到
(1/T1)45%Hz的频率范围内，可以认为它具有均匀的功率谱密度。所以，可以用m序列
2
的这一部分频谱作为噪声产生器的噪声输出，虽然这种输出是伪噪声，但是对于多次进行某一测量，都有较好的重复性。将m序列进行滤波，就可取得上述功率谱均匀的部分作为输出。
（一） 纠错编码
在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计的。例如，由高斯白噪声引起的错码就具有这种性质。因此，当信道中加性干扰主要是这种噪声时，就称这种信道为随机信道。由于信息码元序列是一种随机序列，接收端是无法预知的，也无法识别其中有无错码。为了解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码元和信码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，有时也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力，有的编码只能检错，不能纠错。 那么，为了纠正一位错码，在分组码中最少要增加多少监督位才行呢？编码效率能否提高呢？从这种思想出发进行研究，便导致汉明码的诞生。汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。下面我们介绍汉明码的构造原理。
一般来说，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求
21nr或2kr1 （5-1）
r下面我们通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式。
设分组码（n,k）中k=4，为了纠正一位错码，由式（5-1）可知，要求监督位数r3。若取r=3，则n=k+r=7。我们用6543210表示这7个码元，用S1S2S3表示三个监督关系式中的校正值，则S1S2S3的值与错码位置的对应关系可以规定如表5-1所示。
S1S2S3 错码位置 0 S1S2S3 错码位置 001 010 100 011 101 110 111 000 4 5 1 2 6 无错 3 011 3 000 无错 由表中规定可见，仅当一错码位置在2、4、5或6时，校正值S1为1，否则S1为0。这就意味着2、4、5和6四个码元构成偶数监督关系
S16542 （5-2）
同理，1、3、5和6构成偶数监督关系
S26531 （5-3）
以及0、3、4和6构成偶数监督关系
S36430 （5-4）
在发送端编码时，信息位6、5、4和3的值决定于输入信号，因此它们是随机的。
监督位2、1和0应根据信息位的聚会按监督关系来确定，即监督位应使上三式中
S1、S2和S3的值为零（表示变成的码组中应无错码）
6542065310 （5-5） 64300
由止式经移项运算，解出监督位为
26541653 （5-6） 0643给定信息位后，可直接按上式算出监督位，其结果如表5-2所示。
表5-2 信息位与监督位对应表 信息位 6543 监督位 210 信息位 6543 监督位 210 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 000 011 101 110 110 101 011 000 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 111 100 010 001 001 010 100 111 接收端收到每个码组后，先按式（5-2）~（5-4）计算出S1、S2和S3，再按表5-2判断错码情况。例如，若接收码组为0000011，按式（5-2）和（5-3）计算可得S10,S2=1,S31。
由于S1S2S等于
011，帮根据表5-1
可知在3位一错码。
按上述方法构造的码称为汉明码。表5-2中所列的（7，4）汉明码的最小码距d03，因此，这种码能纠正一个错码或检测两个错码。
（四）传输畸变和眼图 一个实际的基带传输系统，尽管经过了精心的设计，但要使其传输特性完全符合理想情况是伯，甚至是不可能的。因此，码间干扰也就不可能避免。由前面的讨论可知，码间干扰问题与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，因而计算由于这些因素所引起的误码率就非常困难，尤其在信道特性不能完全确知的情况下，甚至得不到一种合适的定量分析方法。眼图就是一种能够方便地估计系统性能的实验手段。这种方法的具体做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。这时就可以从示波器显示的图形上观察出码间干扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。所谓眼图，是指示波器显示的图形，因为在传输二进制信号波形时，它很像人的眼睛。
为了说明眼图和系统性能之间的关系，我们把眼图简化为一个模型，如图5-2所示。该图表述了下列意思：①最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；②对定时误差的灵敏度可由眼图的斜边之斜率决定，斜率越陡，对定时误差就越灵敏；③图中的阴影区的垂直高度表示信号畸变范围；④图的横轴位置对应判决门限电平；⑤在抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限，即若噪声瞬时值超过这个容限，就有可能发生错误判决。
抽样时刻最大信号畸变 最佳抽样时刻 对定时误差的灵敏度 门限电平 过零点畸变 噪声容限 图5-2眼图模型
（经实验指导老师签字认可的原始数据记录纸或添加页粘贴处）
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五、 实验步骤（实验关键操作步骤，仪器、电路及器件选择使用，原程序及关键指
令注释等）
（一）信道模拟实验
1． 将信号源模块、信道模拟模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。 2． 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关POWER1、
POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、LEDC01、LEDC02、LED600发光，
三个模块均开始工作。
3． 将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为00000101 00000000，按实验一的介
绍，此时分频比千位、十位、个位均为0，百位为5，因此分频比为500，此时位同步信号频率应为4KHz。相应地，信道模拟模块的码速率选择拨位开关设置为1000，与信号源的码速率相一致（码速率选择拨位开关设置为1000对应的码速率为4KHz，0100对应为8KHz，0010对应为10KHz，0001对应为15.625KHz）。
4． 将信号源的NRZ作为数据输出，连接到终端的DATA1端，相应的位同步信号（BS）
与帧同步信号（FS）分别相连，同时将信号源的NRZ连接到信道模拟的信道输入端，经过信道后从信道输出1端输入到终端的DATA2端，BS2和FS2与信号源的位同步信号（BS）与帧同步信号（FS）分别相连。则终端的第一排二极管显示的是直接从信号源输出的数据，第二排二极管显示的经过信道传输后的数据。（也可用示波器双踪比较两组数据）
5． 将信号源的SW103、SW104和SW105拨位，旋转信道模拟模块的噪声功率调节电位 器，改变信道内噪声功率大小，观察噪声对第二排二极管显示数据的影响。同时用示
波器观察信道输入与信道输出1处的信号波形。
6． （选做）将信道输出1处的信号接入误码率测试仪，观察噪声对误码率的影响。 7． 将通过信道的信号从信道输出端口输出，其它连线方式同步骤4，观察限带信道对信
号传输的影响。 （二）差错控制编码实验
1． 将信号源的NRZ作为数据输出，连接到信道模拟的编码输入数据端，相应的位同步信
号（BS）与帧同步信号（FS）分别相连；同时将信道模拟的编码输出与解码输入的位
同步信号与帧同步信号分别相连，编码输出的数据连入信道输入，经过信道后从信道输出1端输入到解码输入数据端；解码输出端的数据、位同步与帧同步分别与终端的DATA1、BS1和FS1相连，则终端的第一排二极管显示的经过编解码及信道传输后的数据。（也可用示波器双踪比较两组数据）
2． 信道模拟模块的噪声功率调节电位器固定在噪声功率最小的位置处，用示波器观察信
道输出1处的信号，观察编码后的信号是否符合表7-2的规则（注意：为将（7，4）汉
明码补足为8位码，我们在每一个（7，4）汉明码前添加了一位零。因此，1000编码将得到01000111）。 3． 任意将“误码”拨位开关的右七位中的一位拨为高，观察编码后信号及终端显示的变化。 4． 任意将“误码”拨位开关的右七位中的两位拨为高，观察编码后信号及终端显示的变化。
5． （选做）将信道模拟模块的噪声功率调节电位器固定在噪声功率最小的位
置处，用误码率测试仪测量比较只经过信道传输和经过编解码之后再经过信道传输的信号误码率的情况，观察编解码对信号抗噪声能力的影响。
六、 实验数据（测量数据波形曲线或数据列表，标明单位及测量数据的有效位数）
七、 实验数据分析（对实验结果的评价，误差分析，出现原因及排除方法，回答思
考题等）
当我们加大噪声功率时，信号明显变得毛刺比较多，噪声功率达到一定程度后，几乎就无法分辨出信号了，这告诉我们在实际传输中，应当尽量的增大信噪比，以保证信号能够真实地还原出来。
在实际信道中，加性噪声主要有热噪声、散弹噪声等。
其他的纠错码还有循环码，卷积码，分组码等。卷积码的纠错能力较强，设备复杂程度
与分组码大体相当。分组码和卷积码不但可以用来纠正错误，而且可以用来恢复删除错误和纠正突发错误。
因为可以从眼图中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串。
八、 参考文献
《电子信息专业实验教程》 《现代通信》
九、 实验体会（对实验的看法、改进建议等）
通过试验观察到了噪声对信道的影响，初步了解了理想信道和随机信道的区别，并加深对随即信号的理解，同时了解了一个新词—眼图。
